Das Internet der Dinge (engl. Internet of Things = IoT) wird in den nächsten Jahren unsere Lebens- und Arbeitswelten vollständig durchdringen und durch disruptive Innovationen gravierende Umwälzungen bewirken. Die Gegenstände, Geräte und Maschinen um uns herum werden durch die IoT-bedingte Vernetzung zu dauerhaft kommunizierenden intelligenten Datenobjekten. Eine durch den permanenten Datenaustausch einsetzende "Smartifizierung" verändert dabei  unser gesamtes Leben. Durch ein "Industrial Internet of Things" oder auch "Industrie 4.0" werden sich die Wertschöpfungs- und Geschäftsprozesse sogar in revolutionärer Weise verändern und völlig neue Anbieter, Produkte  und Dienstleistungen hervorbringen. Die damit einhergehende Datenflut aus unzäh­ligen vernetzten Objekten wird mit Hilfe noch zu entwickelnder Big-Data-Verfahren in Informationen umgewandelt, aus denen sich Ereignisse und Verhaltensweisen mit größtmöglicher Präzision vorhersagen lassen.

Bevor es aber soweit ist, müssen alle Beteiligten gemeinsam die vielfältigen Aufgaben und Herausforderungen der durchgängigen Vernetzung aller Objekte bewerkstelligen, die sich im Internet der Dinge vernetzen lassen. Zunächst einmal entstehen dadurch viele Fragen, wie zum Beispiel: Welche technischen Anforderungen müssen die "Dinge" im Internet der Dinge erfüllen? Wie lässt sich die IoT-Vernetzung erreichen und welche Funktionen beziehungsweise Komponenten werden dafür benötigt? Wie sieht das Zusammenspiel aller Bausteine aus? Das Intensivseminar "Internet der Dinge" liefert Antworten und Beispiele zu folgenden acht Fragestellungen:

1. Wie sehen typische IoT-Architekturen und Referenzlösungen aus? In Zukunft erhält jedes physische ­Objekt eine virtuelle Repräsentanz. ­Dadurch entsteht eine mehrschichtige Architektur, die sich auf ein breites  Anwendungsspektrum übertragen lässt.

2. Welche Protokolle, Datenformate und logischen Schnittstellen (APIs) werden benötigt? Dieser Themenkomplex ist für die Praxis außerordentlich wichtig. Fehlentscheidungen können nach einiger Zeit teuer zu stehen ­kommen.

3. Mit welchen physikalischen Schnittstellen und Sensoren muss man sich befassen? IoT-Anwendungen ohne Sensoren sind praktisch undenkbar. Allerdings sind auch hier zahlreiche Details zu beachten.

4. Welche Wireless-Technologien sind für das IoT relevant? Es gibt nicht nur UMTS, LTE und WLAN, um eine IoT-Anwendung zu vernetzen. Auch neuartige Low Power Wide Area (LPWA) Networks wie etwa LoRa und NB-IoT werden in Zukunft eine Rolle spielen.

5. Wie sehen Beispiel-Anwendungen aus und wo liegt deren praktischer Nutzen? Nicht alles, was technisch machbar ist, hat auch einen Wert für den Anwender. Die sogenannte Value Proposition einer IoT-Anwendung sollte stets genau untersucht werden.

6. Wie funktioniert "Big Data" und welche Nutzungsmöglichkeiten sind denkbar? "Daten sind das Öl des 21. Jahrhundert". Diese Hypothese eignet sich als wertschaffendes Leitmotiv für IoT-basierte Produkte und Geschäftsmodelle. Es ist allerdings nicht einfach, aus Daten sinnvolle Informationen zu gewinnen.

7. Wie lässt sich die erforderliche Security schaffen? Die IoT-Informationssicherheit ist eine besondere Herausforderung, da zum einen sehr große Verbundsysteme mit vielen Angriffsmöglichkeiten entstehen und zum anderen ressourcenarme Systeme zum Einsatz kommen, die sich nur schwer schützen lassen.

8. Gibt es eigentlich international anerkannte Standards für das IoT? Es gibt inzwischen mehr Standards als Einsatzmöglichkeiten. Die Herausforderung ist, für die eigenen Projekte auf die "richtigen Standards" zu setzen.

Der Praxis-Aspekt

Stark vereinfacht dargestellt besteht eine industrielle IoT-Anwendung aus drei speziellen Funktionsblöcken, auf die im Seminar intensiv eingegangen wird.

© SSV Software-Systems

Wesentlicher Baustein des Seminars ist der Praxis-Aspekt: Jedem Seminarteilnehmer steht ein  IoT-Entwicklerbaukasten mit LAN-basierter und LoRaWAN-Internetverbindung zur Verfügung, der vor Ort in Betrieb genommen wird, um unter Anleitung erste eigene Experimente durchzuführen. Über den Baukasten lassen sich die drei im obigen Kasten dargestellten Funktionsblöcke mit hohem Praxisbezug simulieren.

Das Felddaten-Frontend im linken Teil der Abbildung ist in der Praxis mit mindestens einem Sensor verbunden. In vielen Anwendungen existiert darüber hinaus auch eine Aktor-Anbindung. Daten-­Backend, Sensoren und Aktoren bilden zusammen ein physisches Objekt - das sogenannte "Thing" im Internet of Things. Im Seminar wird das "Thing" durch eine Arduino-Uno-Maker-Baugruppe mit einerIP-Schnittstelle zum Internet nachgebildet. An den Arduino werden Sensoren angeschlossen, für die unter fachlicher Anleitung per PC einfache Code-Beispiele erstellt und untersucht werden.

Im funktionalen Zentrum jeder Anwendung ist der IoT-Backend zu finden. Diese Funktionseinheit wird typischerweise durch eine IoT- beziehungsweise Cloud-Serviceplattform im Internet gebildet. Hier wird eine virtuelle Repräsentanz ­(digitales Objek bzw. digitaler Zwilling) für die Datenpunkte des Felddaten-Frontend beziehungsweise Things geschaffen, in die zum Beispiel auch Konstruktions- und Fertigungsdaten des repräsentierten physischen Objekts eingebunden werden. Ändert sich ein Datenwert des Thing, muss das Felddaten-Frontend sofort eine Nachricht mit dem neuen Wert an die virtuelle Repräsentanz schicken und umgekehrt. Als Backend dient den Seminarteilnehmern der Zugang zu einer echten IoT-Serviceplattform im Internet. Auf dieser werden Datenprojekte mit Datenpunkten angelegt und verwaltet, die für das Arduino-basierte Thing als virtuelles Datenabbild dienen.

In den meisten Internet of Things-Applikationen gibt es darüber hinaus ein HMI-Frontend, zum Beispiel eine Smartphone-App, um die Daten der virtuellen Repräsentanz zu visualisieren bezie­hungsweise Sollwertvorgaben an den IoT-Backend zu übermitteln. Diese wiederum können zu Zustandsänderungen der mit dem Felddaten-Backend verbundenen Aktoren führen. Zusätzlich unterhält ein IoT-Backend in der Praxis verschiedene Verbindungen zu anderen IT-Systemen und Cloud-Serviceplattformen. Für eine IoT-Fitness-Anwendung kann es sich dabei um Anbindungen an die Server sozialer Netzwerke (Twitter, Facebook) handeln. Im Industrie-4.0-Umfeld sind ERP- und MES-Verbindungen denkbar und sinnvoll. Als HMI-Frontend bietet der IoT-Entwicklerbaukasten den Seminarteilnehmern zum einen die Voraussetzungen für den Zugriff über ­einen PC-Webbrowser und zum anderen eine Android-App, die vor Ort auf dem eigenen Smartphone installiert, aber auch über einen Simulator auf dem PC aus­geführt werden kann.

Zwischen Backend und Frontend kommen in jeder IoT-Anwendung unterschiedliche Programmierschnittstellen (Application Programming Interfaces, API) zum Einsatz. Über den IoT-Entwicklerbaukasten lernen die Seminarteilnehmer sowohl die REST- und MQTT-APIs eines SSV-RTDC-Servers als auch die Nutzung einer LoRa-LPWA-Funkschnittstelle kennen. Die Kopplung zweier IoT- bzw. Cloud-Serviceplatt­formen wird im Seminar an Hand des Plot.ly-API vorgestellt. Damit lassen sich die Daten der an die Arduino-Baugruppe angeschlossenen Sensoren über einen längeren Zeitraum aufzeichnen und in anspruchsvollen Diagrammen visualisieren.

Der Referent

Klaus-Dieter Walter hat vier Fachbücher zu den Themenbe­reichen 'Embedded Linux', 'Embedded Internet' und 'ARM-basierte Mikrocontroller' veröffentlicht.

© Uwe Niklas

Der Referent Klaus-Dieter Walter ist als CEO für die SSV Software Systems in Hannover tätig und durch zahlreiche Vorträge auf internatio­nalen Veranstaltungen, Seminare, Workshops sowie Beiträge in Fachzeitschriften bekannt. Walter hat Anfang 2007 aktiv zur Gründung des M2M Alliance e.V. in Aachen beigetragen und gehörte viele Jahre dem Vorstand an. Neben seiner CEO-Tätigkeit leitet Walter eine Arbeitsgruppe des Industrieforums VHPready, um einen Standard für die Kommunikation in Virtuellen Kraftwerken zu schaffen und engagiert sich seit 2012 aktiv in der M2M Initiative Deutschland des Nationalen IT-Gipfels der Bundesregierung.

Voraussetzungen für das Seminar

• Grundverständnis TCP/IP-basierter Vernetzung, z. B. in Ethernet-LANs
• Grundlagenwissen zu einfachen Funknetzwerken, z. B. WLANs
• Grundverständnis zu den Bausteinen und Zusammenhängen beim Einsatz von Webtechnologie, wie z. B. HTML, HTTP, JavaScript, PHP-Skripten usw.
• Security-Grundwissen zu Verschlüsselung und Authentifizierung

... nach dem Seminar

Das Intensivseminar "Internet der Dinge (IoT)" orientiert sich an der Herausforderung, dass trotz des beachtlichen IoT-­Hypes schlicht und ergreifend belastbare Orientierungshilfen fehlen, um eigene innovative Anwendungen zu entwickeln. Im industriellen Umfeld - Stichwort Industrie 4.0 - sieht es nicht viel anders aus: Es gibt auch hier keine praxiserprobten Anwendungsbeispiele. Das Seminar liefert Entwicklern aus dem Umfeld eingebetteter Systeme sowie der MSR- und Automatisierungstechnik nicht nur einen technologischen Überblick. Der Entwicklerbaukasten ermöglicht auch nach dem Seminarende ein frühzeitiges Proof of Concept für das Frontend/Backend-Zusammenspiel in eigenen IoT-Projekten. Seminaranmeldungen sind ab sofort über die Seminar-Internetseite möglich.